Histologia dla kosmetologów

Histologia

dla

kosmetologów

Marcin Błaszczyk

Histologia

dla

kosmetologów

dr hab. n. farm. Andrzej Jankowski, prof. PWSZ w Nysie OPRACOWANIE GRAFICZNE, SKŁAD, KOREKTA Ewa Bernat SEKRETARZ OFICYNY Tomasz Drewniak

Wszystkie zamieszczone zdjęcia przedstawiają preparaty mikroskopowe tkanek ludzkich (oprócz Ryc. 24 i 31). Zdjęcia zostały wykonane przez autora z preparatów ze zbiorów własnych oraz należących do pracowni mikroskopowej Instytutu Kosmetologii PWSZ w Nysie.

© Copyright by Oficyna Wydawnicza PWSZ w Nysie Nysa 2013

ISBN 978-83-60081-69-3

OFICYNA WYDAWNICZA PWSZ W NYSIE 48-300 Nysa, ul. Armii Krajowej 7 tel.: 77 4090567

e-mail: oficyna@pwsz.nysa.pl www.pwsz.nysa.pl/oficyna Wydanie I

Druk i oprawa:

MAZOWIECKIE CENTRUM POLIGRAFII MARKI, ul. DUŻA 1

www.c-p.com.pl +48 22 497 66 55

Spis treści

Wprowadzenie . . . 7

Rozdział 1. Histologia ogólna 1.1. Podstawowe związki organiczne . . . 9

1.1.1. Lipidy . . . 9

1.1.2. Węglowodany . . . 15

1.1.3. Białka . . . 17

1.1.4. Kwasy nukleinowe . . . 20

1.2. Podstawowe techniki histologiczne . . . 22

1.3. Elementy cytofizjologii . . . 24

1.3.1. Receptory komórkowe . . . 24

1.3.2. Ruch cytoplazmy . . . 25

1.3.3. Metabolizm komórkowy – katabolizm, anabolizm, ksenobiotyki . . . 25

1.3.4. Cykl komórkowy . . . 32

1.3.5. Apoptoza i nekroza . . . 36

1.4. Budowa komórki zwierzęcej . . . 37

1.4.1. Budowa i właściwości błon plazmatycznych . . . 38

1.4.2. Organelle komórkowe . . . 41

1.4.3. Szkielet komórkowy . . . 48

1.5. Struktury powierzchniowe komórek i połączenia międzykomórkowe . . . 50

1.5.1. Struktury powierzchniowe . . . 50

1.5.2. Połączenia międzykomórkowe . . . 50

1.6. Klasyfikacja tkanek zwierzęcych (ludzkich) . . . 52

1.6.1. Tkanka nerwowa . . . 52

1.6.2. Tkanka glejowa . . . 55

1.6.3. Tkanka mięśniowa . . . 55

1.6.4. Tkanka łączna . . . 58

1.6.5. Tkanka nabłonkowa . . . 71

Rozdział 2. Budowa histologiczna skóry 2.1. Substancja międzykomórkowa tkanki łącznej . . . 77

2.1.1. Włókna tkanek łącznych . . . 77

2.1.2. Istota podstawowa tkanek łącznych . . . 82

2.2. Tkanka podskórna . . . 85

2.3. Skóra właściwa . . . 87

2.4. Naskórek . . . 88

2.4.1. Keratyny . . . 88

2.4.4. Warstwa ziarnista i bariera wodna naskórka . . . 90

2.4.5. Warstwa jasna . . . 92

2.4.6. Warstwa rogowa . . . 93

2.4.7. Naturalny czynnik nawilżający warstwy rogowej . . . 93

2.4.8. Charakterystyczne komórki naskórka . . . 94

2.5. Barwnik skóry . . . 95

2.5.1. Melaniny . . . 95

2.5.2. Ewolucja barwnika skóry . . . 98

2.5.3. Opalanie się . . . 99 2.6. Połączenie skórno-naskórkowe . . . 100 2.7. Przydatki skóry . . . 100 2.7.1. Włosy . . . 100 2.7.2. Paznokcie . . . 104 2.7.3. Gruczoły potowe . . . 105 2.7.4. Gruczoły łojowe . . . 106 2.7.5. Gruczoły sutkowe . . . 107

2.8. Funkcje skóry i jej przydatków . . . 108

2.8.1. Izolacja od środowiska . . . 109

2.8.2. Gospodarka wodna i elektrolitowa . . . 110

2.8.3. Termoregulacja . . . 112

2.8.4. Czucie . . . 115

2.8.5. Funkcje włosów . . . 116

2.8.6. Funkcje paznokci . . . 118

2.8.7. Funkcje gruczołów łojowych . . . 119

2.8.8. Funkcje gruczołów potowych . . . 119

2.8.9. Funkcje gruczołów mlekowych . . . 120

2.8.10. Inne funkcje skóry . . . 120

2.8.11. Budowa histologiczna skóry a higiena i kosmetologia . . . 121

2.9. Regeneracja skóry . . . 128

2.10. Starzenie się skóry . . . 130

2.10.1. Działanie wolnych rodników na struktury komórkowe . . . 133

2.10.2. Immunologia skóry . . . 136

2.10.3. Hormony i starzenie skóry . . . 138

2.10.4. Fotostarzenie . . . 140

2.10.5. Palenie tytoniu a stan skóry . . . 145

2.10.6. Odżywianie a kondycja skóry . . . 147

Zalecane lektury . . . 154

Spis rycin . . . 155

Spis tabel . . . 156

Wprowadzenie

Publikacja ta adresowana jest do studentów kosmetologii, z uwzględnie-niem ich programu studiów i obszaru zainteresowań. Uwzględniając histologię ogólną, z zarysem budowy i funkcjonowania komórki oraz tkanek zwierzęcych (ludzkich), zwrócono szczególną uwagę na budowę i funkcje tkanki podskórnej, skóry oraz naskórka i jego wytworów. Aby stworzyć podstawy dla późniejszego omawiania zagadnień z dziedzin m.in. fizjologii, mikrobiologii, immunologii, onkologii, zamieszczono także zarys wybranych aspektów cytofizjologii (np. regulację cykli komórkowych, elementy metabolizmu komórek).

Tekst pisano z punktu widzenia wyłącznie histologii, z uwzględnieniem wiedzy i terminologii biologicznej. W części specjalistycznej zamieszczono tylko te informacje, które mają wystarczające potwierdzenie w międzynarodo-wym piśmiennictwie. Funkcjonują w popularnym, polskim piśmiennictwie kos-metologicznym zakorzenione przekonania, które mogłyby uzupełnić zawarte tu wiadomości, jednak nie udało się znaleźć ich potwierdzenia w literaturze biolo-gicznej czy medycznej, a czasem są z nią sprzeczne. Podobnie, w kosmetologii używa się czasem nieistniejących w terminologii naukowej określeń struktur histologicznych. Te informacje i nazwy zamieszczono z zastrzeżeniem, że nie są wiarygodne lub je pominięto. Autor ma nadzieję, że Czytelnik wybaczy spora-dyczne uwagi na ten temat, o ironicznym zabarwieniu, niezupełnie zgodnym z duchem pracy naukowej, podobnie jak wybaczył (częściowo) Recenzent.

Książka obejmuje podstawy budowy histologicznej skóry z koniecznym − minimalnym − zarysem innych obszarów wiedzy. Nie należy jej traktować jako podręcznika histologii ogólnej, fizjologii, cytofizjologii czy immunologii skóry.

Rozdział 1. Histologia ogólna

Zagadnienia histologiczne interesujące kosmetologa bezpośrednio to bu-dowa tkanki podskórnej, skóry, naskórka i jego wytworów, czyli przydatków skóry. Jednak dla zrozumienia funkcjonowania tych tkanek konieczna jest zna-jomość podstaw histologii: budowy i funkcji błon plazmatycznych, organelli komórkowych oraz tkanek innych niż wymienione, a także podstawowych czynności życiowych komórek. W tym rozdziale zostanie przedstawiony zarys właśnie takich podstaw.

1.1. Podstawowe związki organiczne

Większość związków chemicznych budujących organizmy to związki or-ganiczne. Substancje nieorganiczne występują w zdecydowanie mniejszej ilości (poza wodą) i różnorodności (jako reszty fosforanowe, węglanowe, wodorowę-glanowe, gazy (tlen, azot, dwutlenek węgla) oraz aniony i kationy kilku pier-wiastków).

1.1.1. Lipidy

Lipidy (tłuszcze) są estrami kwasów tłuszczowych i glicerolu. W reakcji

estryfikacji pomiędzy grupą hydroksylową (-OH) glicerolu a grupą karboksylo-wą (-COOH) kwasu tłuszczowego tworzy się wiązanie estrowe.

Lipidy klasyfikować można ze względu na pochodzenie (roślinne, zwie-rzęce), na stan skupienia w warunkach normalnych (ciekłe, stałe), na budowę (m.in. proste oraz złożone, w których skład wchodzą nie tylko kwasy tłuszczo-we, lecz część grup hydroksylowych glicerolu jest podstawiona inną grupą, np. resztą kwasu fosforowego – w fosfolipidach). Kolejnym kryterium klasyfikacji jest liczba wiązań podwójnych pomiędzy atomami węgla w łańcuchach kwasów tłuszczowych – wyróżnia się kwasy tłuszczowe oraz tłuszcze nasycone i niena-sycone. Te ostatnie – w zależności od położenia wiązania nienasyconego od końca łańcucha określa się jako n-3, n-6, n-9, n-12 nienasycone (Ryc. 1). W dietetyce przyjęło się używać niepoprawnych (wg IUPAC1) określeń: kwasy ω (omega) 3, 6, 9, 12 nienasycone. Liczba oraz położenie wiązań nienasyconych wpływa na właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne zarówno kwasów tłuszczowych, jak i lipidów z nich powstałych.

1

Ryc. 1. Numeracja atomów węgla w kwasach tłuszczowych i możliwe położenia po-dwójnego wiązania w łańcuchu. Atomy węgla można liczyć od strony reszty karboksylowej (na rysunku od lewej), lub od atomu węgla końcowej grupy metylowej (od prawej). Ten atom węgla jest wówczas oznaczony jako 1, lub jako omega. Stąd np. wiązanie nienasycone pierwsze od prawej na rysunku jest w pozycji n-3 (a więc byłby to kwas n-3 nienasycony) lub inaczej omega-3 (kwas ω-3 nienasycony)

Wśród kwasów tłuszczowych wyróżnić można niezbędne kwasy tłusz-czowe (w polskiej terminologii stosuje się czasem skrót NNKT, dodając okre-ślenie „nienasycone”). Są to kwasy nienasycone konieczne do prawidłowego funkcjonowania organizmu, dla których syntezy jednak ludzki organizm nie posiada szlaku metabolicznego (chodzi o budowanie podwójnego wiązania w łańcuchu węglowym w pozycji dalszej niż C-9). Istnieją tylko dwa kwasy należące do NNKT: α-linolenowy oraz linolowy. Ponadto kwas γ-linolenowy, laurynowy i oleopalmitynowy uważa się za „względnie niezbędne” – występują bowiem stany, w których korzystne jest dodatkowe ich dostarczanie z zewnątrz.

Fosfolipidy

Fosfolipidy stanowią 50 do 90% błon plazmatycznych. Charakteryzują się tym, że jedna z grup hydroksylowych glicerolu podstawiona jest resztą kwasu fosforowego, zamiast kwasu tłuszczowego. Do reszty kwasu fosforowego przy-łączyć się może dodatkowa cząsteczka związku organicznego. Najczęściej jest nim cholina – tak zbudowany lipid to fosfatydylocholina, której zawartość w bło-nach komórkowych wynosi 40-60% (Ryc. 2).

Ryc. 2. Budowa cząsteczki fosfolipidu (fosfatydylocholiny). R1, R2 – reszty kwasów

tłuszczowych, połączone poprzez wiązania estrowe z trójwęglową cząsteczką glicerolu. Kolejnym wiązaniem estrowym cząsteczka glicerolu związana jest z resztą kwasu fosforowego, do którego przyłączona jest pięciowęglowa czą-steczka choliny

Cząsteczka fosfolipidu ma amfipatyczne (tj. dwojakie) właściwości wobec wody. Głowa fosfolipidu, złożona z cząsteczki glicerolu, reszty kwasu fosforo-wego oraz z choliny, jest hydrofilowa („przyjazna dla wody”). Dwa ogony zbu-dowane z reszt wyższych kwasów tłuszczowych są hydrofobowe. W obecności wody cząsteczka fosfolipidu przyjmuje zawsze takie położenie, żeby głowa zwrócona była w stronę wody, a ogony w stronę pozbawioną kontaktu z wodą. Jeśli na powierzchnię wody dostanie się większa liczba cząsteczek fosfolipidów utworzą one warstwę zwróconą w stronę wody hydrofilowymi głowami, ogo-nami w górę. W sytuacji, kiedy duża liczba cząsteczek fosfolipidów zostanie otoczona wodą ze wszystkich stron, utworzą one sferę z hydrofilową powierzch-nią zewnętrzną (w stronę wody) i hydrofobowym wnętrzem (z ogonków). Jeśli woda będzie zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz takiej struktury, oddziaływa-nia hydrofobowo-hydrofilowe wymuszą powstanie podwójnej warstwy fosfoli-pidowej, w której hydrofobowe ogony z kwasów tłuszczowych będą zwrócone do siebie (w stronę ogonów fosfolipidów drugiej warstwy), natomiast głowy – na zewnątrz w zewnętrznej warstwie, do wnętrza w wewnętrznej (Ryc. 3). Wy-twarza się wówczas struktura przestrzenna określana mianem liposomów: fosfoli-pidowe, dwuwarstwowe pęcherzyki.

Liposomy znajdują wzrastające zainteresowanie w przemyśle farmaceu-tycznym i kosmefarmaceu-tycznym. Do wewnętrznej przestrzeni liposomu (hydrofilowej) wprowadza się substancje np. o charakterze hydrofilowym, które dzięki otocze-niu przez lipidy mogą być wprowadzane do hydrofobowych obszarów lub prze-prowadzane poprzez nie.

Ryc. 3. Schemat budowy liposomu

Substancje czynne o charakterze hydrofobowym wiążą się natomiast z częścią fosfolipidową. W tym aspekcie liposomy stwarzają nadzieje na zwięk-szoną wchłanialność substancji czynnych leków lub kosmetyków przez barierę skórną, mającą charakter generalnie lipidowy. W celu zwiększenia precyzji

dawkowania substancji można również dołączać do nich białka – apolipoprote-iny, specyficzne dla receptorów konkretnych komórek, do których adresowana jest substancja czynna2.

Sfingolipidy

Do lipidów należą także sfingolipidy, w których reszta kwasu tłuszczo-wego połączona jest nie z glicerolem, lecz ze sfingozyną (Ryc. 4). Sfingozyna syntetyzowana jest z palmitylo-CoA i seryny (CoA = koenzym A).

Ryc. 4. Wzór sfingozyny oraz wzór ogólny sfingolipidów. R oznacza przyłączoną resztę, w zależności od której sfingolipidy podzielono na klasy różniące się właściwościami i występowaniem

Poszczególne sfingolipidy różnią się one od siebie grupą -R (Tab. 1). Do sfingolipidów zalicza się sfingomieliny, glikosfingolipidy (fosfocholina za-stąpiona jest w ich cząsteczce resztami cukrowymi; wśród nich można wymienić prostsze cerebrozydy i bardziej złożone gangliozydy), oraz szczególnie istotne dla naskórka – ceramidy.

Tabela 1.

Klasyfikacja sfingolipidów w zależności od grupy -R

-R klasa sfingolipidów

-H ceramidy

fosfocholina sfingomielina

glukoza lub galaktoza cerebrozydy

do siedmiu reszt cukrowych gangliozydy

Ceramidy mają najprostszą budowę wśród sfingolipidów. Cząsteczka ce-ramidu złożona jest z kwasu tłuszczowego połączonego wiązaniem amidowym ze sfingozyną, fitosfingozyną lub 6-hydroksysfingozyną (Ryc. 5).

2

Biorąc pod uwagę powszechne użycie liposomów, ich obecność w kosmetykach nie jest już od lat niczym nadzwyczajnym. W związku z tym, firmy kosmetyczne bardziej nastawione na kreowanie swojego wizerunku niż na opracowywanie lepszych rozwią-zań zmieniają ich nazwę na „fitosomy”, „oceosomy” itd., próbując zwiększyć

atrak-Ryc. 5. Budowa ceramidów. Ceramidy 1-9 występują w naskórku w stanie wolnym, ceramidy A i B – związane z białkami [za: Baumann L., Cosmetic Dermato-logy, 2009].

Ceramidy występują jako międzykomórkowe lipidy warstwy zrogowacia-łej naskórka stanowiąc około 40% z nich, natomiast w warstwach głębszych praktycznie nie występują.

Wyróżnia się przynajmniej 9 ceramidów, nie licząc ceramidu A i B – związanych z białkami otoczki komórkowej korneocytów (Ryc. 5). Metabolizm ceramidów jest prawidłowy tylko w niskim pH – odczyn wpływa na aktywność β-glukocerebrozydazy i kwaśnej sfingomielinazy, enzymów niezbędnych do ich przemian (glukocerebrozydaza hydrolizuje wiązania glikozydowe glikocerebro-zydów, sfingomielinaza hydrolizuje sfingomielinę do fosfocholiny i ceramidu). Stąd np. alkaliczne mydła zakłócają prawidłowe tworzenie bariery lipidowej naskórka. Z kolei czynnikiem zwiększającym syntezę ceramidów jest promie-niowanie UVB.

Ceramidy występują także w samych komórkach, pełnią nie tylko funkcję strukturalną, jako składnik błon, ale i aktywnie biorą udział w regulacji proce-sów metabolicznych (proliferacja, różnicowanie się komórek, apoptoza).

Lipidy izoprenowe

Wśród lipidów wyróżnia się także lipidy izoprenowe, do których należy cholesterol (Ryc. 6). Są one pochodnymi izoprenu – pięciowęglowego węglo-wodoru. W wyniku polimeryzacji tworzy on skwalen, będący prekursorem cho-lesterolu. Cholesterol jest niezbędny do budowy błon komórkowych, wpływając na zwiększenie ich płynności i jednocześnie jej uszczelnienie wobec małych cząsteczek. Cholesterol jest również w organizmie konieczny do syntezy wita-miny D3, hormonów steroidowych (płciowych i kortyzonu) oraz do

prawidłowe-go funkcjonowania układu nerwoweprawidłowe-go (jako składnik mieliny i synaps).

Ryc. 6. Budowa cholesterolu

W ramach składników o charakterze lipidowym, warto wspomnieć jesz-cze o woskach, które są często wymieniane jako składnik kosmetyków. Jest to niezbyt wyraźnie sprecyzowana grupa organicznych związków chemicznych, zwykle mieszanin estrów wyższych kwasów tłuszczowych i alkoholi/wyższych alkoholi (wyższych, tzn. do kilkudziesięciu atomów węgla), mogących zawierać układy cykliczne (sterole).

Należą do nich woski pochodzenia zwierzęcego, np. wosk pszczeli, lano-lina, czy olbrot lub woski pochodzenia roślinnego, np. carnabua (czyli wosk palmowy, pozyskiwany z palmy Copernicia prunifera), candelilia (z krzewów Candelilia sp. lub z wilczomlecza – Euphorbia cerifera), olej jojoba oraz woski mineralne, jak parafina.

1.1.2. Węglowodany

Węglowodany (cukry, sacharydy) są związkami organicznymi o ogólnym sumarycznym wzorze chemicznym CnH2nOn (choć są od tej reguły wyjątki,

na-wet wśród cukrów prostych; np. deoksyryboza ma o jeden atom tlenu mniej). Występują w postaci pojedynczych cząsteczek (monomerów) jako cukry proste (monosacharydy) lub jako cukry złożone (disacharydy, oligosacharydy, polisa-charydy), w których monomery połączone są ze sobą wiązaniem glikozydowym (Ryc. 7).

Ryc. 7. Budowa węglowodanów: a) budowa cząsteczki D-glukozy w formie łańcuchowej oraz w formie cyklicznej (pierścieniowej), b) budowa cząsteczki dwucukru malto-zy. W wyniku hydrolizy maltozy powstałyby dwie cząsteczki glukomalto-zy. Wiązanie glikozydowe to wiązanie przy środkowym atomie tlenu, we wzorze b)

Jest ono utworzone pomiędzy anomerycznym atomem węgla3 jednej czą-steczki cukru prostego (z odcięciem grupy -OH) a atomem tlenu grupy hydrok-sylowej drugiej cząsteczki (z odcięciem atomu -H, z czego w sumie powstaje cząsteczka wody). Wiązanie tak powstałe nazywane jest wiązaniem

O-glikozy-dowym. Często anomeryczny atom węgla jednej cząsteczki cukru prostego

mo-że być też połączony z atomem azotu grupy aminowej drugiej cząsteczki

3

Atom węgla anomeryczny to ten, przy którym grupa hydroksylowa może zajmować pozycje po różnych stronach cząsteczki, dzięki czemu cząsteczki węglowodanów mogą występować w dwóch odmianach stereoizomerycznych (D i L). Odmiany D i L – stereoizomery – to nie to samo, co enancjomery, które są swoimi odbiciami lustrza-nymi.

wstaje wiązanie N-glikozydowe, możliwe są również wiązania S-glikozydowe, C-glikozydowe). W reakcjach tych najczęściej biorą udział grupy funkcyjne atomu węgla C-1 jednej cząsteczki i atomu węgla C-4 drugiej cząsteczki, są to więc wiązania 1,4-glikozydowe, choć są również rozpowszechnione cukry z wiązaniami 1,6-glikozydowymi. Ponadto wiązania mogą się różnić położe-niem przy atomie węgla C-1 wobec płaszczyzny w której leży pierścień. Jeśli leży poniżej płaszczyzny – powstaje wiązanie α-glikozydowe (jak na Ryc. 7). Gdyby w pierwszym pierścieniu wiązanie było tworzone z ponad płaszczyzny pierścienia – powstałoby wiązanie β-glikozydowe (jak np. w laktozie).

W zależności od liczby monomerów, w cząsteczce wyróżnia się dwucukry (disacharydy), trójcukry (trisacharydy), cukry złożone z większej liczby mono-merów (oligosacharydy i polisacharydy).

Węglowodany mogą być aldehydami (jak aldehyd glicerynowy, określa się je jako aldozy) lub ketonami (jak aceton, określa się je jako ketozy).

Do cukrów prostych należą m.in.:

− triozy (3 atomy węgla): aldehyd glicerynowy, dihydroksyaceton,

− tetrozy (4 atomy węgla): treoza, erytroza (aldozy) oraz erytruloza (ketoza), − pentozy (5 atomów węgla): ryboza, arabinoza, liksoza, ksyloza (aldozy)

oraz rybuloza, ksyluloza (ketozy),

− heksozy (6 atomów węgla): glukoza, mannoza, galaktoza, taloza, alloza, altroza (aldozy) oraz fruktoza, sorboza, psykoza (ketozy).

Jeśli dwie cząsteczki cukrów wejdą w reakcję z wytworzeniem wiązania gli-kozydowego, powstaje cząsteczka disacharydu, będąca już cukrem złożonym, np.:

− sacharoza (glukoza + fruktoza, z nietypowym wiązaniem α dla glukozy, β dla fruktozy)

− laktoza (galaktoza + glukoza, wiązanie β-1,4-glikozydowe), − maltoza (glukoza + glukoza, wiązanie α-1,4-glikozydowe), − celobioza (glukoza + glukoza, wiązanie β-1,4-glikozydowe).

W miarę polimeryzacji cukry określa się jako disacharydy, oligosachary-dy, wreszcie polisacharydy. Do polisacharydów zalicza się m.in.:

− skrobię (zbudowana z cząsteczek glukozy połączonych wiązaniami α-1,4-glikozydowe) stanowiącą podstawowy materiał zapasowy w

komór-kach roślinnych, występującą w postaci amylozy i amylopektyny (amylo-pektyna ma bardzo rozgałęzione łańcuchy),

− glikogen (zbudowany z cząsteczek glukozy połączonych wiązaniami α-1,4-glikozydowymi i α-1,6-glikozydowymi) o silnie rozgałęzionych czą-steczkach, stanowi materiał zapasowy w komórkach zwierzęcych,

− celulozę (zbudowana z nawet kilkuset tysięcy cząsteczek glukozy, połączo-nych wiązaniami β-1,4-glikozydowymi; organizm ludzki nie ma enzymów hydrolizujących takie wiązanie), będącą podstawowym składnikiem ścian komórkowych. Dawna, tradycyjna nazwa celulozy to błonnik. Obecnie czę-sto używa się jej nieprawidłowo, do określenia wszystkich cukrów

wystę-pujących w pokarmach, a nieprzyswajalnych dla organizmu człowieka. Prowadzi to do zabawnych sytuacji: jako błonnik rozumie się czasem nawet węglowodany przyswajalne, co spowodowało, że „błonnik” ma obecnie wartość energetyczną, a nie 0 Kcal/g, co sugeruje, że organizm ludzki nagle zaczął być zdolny do trawienia i przyswajania celulozy. Tymczasem chodzi prawdopodobnie o inne węglowodany. W terminologii angielskiej są to dietary fibres, co nie prowadzi do nieporozumień.

− pektyny są pochodnymi kwasu galakturonowego (jw.: są czasem nieprawi-dłowo określane jako „błonnik”, w dodatku „błonnik rozpuszczalny” – o ile pektyny są rozpuszczalne w wodzie, błonnik nie jest),

− chitynę (cukier występujący w pancerzach owadów oraz w ścianach ko-mórkowych niektórych grzybów; nigdy nie występuje w organizmie ludz-kim, choć stosuje się ją jako składnik kosmetyków).

Węglowodany mogą wchodzić w reakcje z innymi związkami organicz-nymi, np. białkami lub lipidami, tworząc złożone glikoproteiny lub glikolipidy.

Węglowodany są podstawowym substratem energetycznym dla komórek. Szczególne miejsce zajmuje w metabolizmie glukoza, łatwa do rozłożenia na związki prostsze, w procesie glikolizy, a także do spolimeryzowania w wielocu-kry pełniące funkcje strukturalne lub będące energetycznym materiałem zapa-sowym (glikogen). Glikogen jest w miarę potrzeb rozkładany (w reakcji fosforo-lizy) do glukozo-1-fosforanu.

1.1.3. Białka

Białka4 są polimerami zbudowanymi z podjednostek – aminokwasów. Aminokwasy są związkami organicznymi, zawierającymi w cząsteczce dwie grupy funkcyjne: aminową (-NH2) i karboksylową (-COOH) (Ryc. 8).

Znanych jest ponad 300 aminokwasów, ale tylko 20 z nich jest kodowa-nych w DNA. Mogą one występować w białkach w podstawowej formie lub ulegać przekształceniom (np. przez dodanie grup funkcyjnych), co zwiększa liczbę aminokwasów obserwowanych w komórkach.

Konsekwencją obecności różnych grup funkcyjnych przy pierwszym ato-mie węgla (α) (aminowa, karboksylowa, atom wodoru i łańcuch boczny – różny w różnych aminokwasach) jest fakt, że aminokwasy występują w dwóch odmia-nach izomerycznych L i D (są chiralne). W przyrodzie w białkach występują prawie wyłącznie formy L.

4

Białko w języku angielskim to protein. Nie jest wskazane używanie tego słowa w języku polskim jako synonimu białka. W tradycyjnej polskiej terminologii che-micznej białka występują bowiem jako proteiny (białka proste) i proteidy (białka zło-żone). Przeniesienie słowa „proteina” z tekstu angielskiego sugeruje, że mowa o biał-ku prostym, co czasem okazuje się błędem merytorycznym.

Ryc. 8. Aminokwasy kodowane bezpośrednio przez DNA

Aminokwasy mogą łączyć się ze sobą, tworząc wiązanie peptydowe po-między grupą aminową jednego a karboksylową drugiego aminokwasu (Ryc. 9). W miarę dołączania kolejnych aminokwasów mówi się o oligopeptydach, pep-tydach, polipeppep-tydach, wreszcie o białkach.

Ryc. 9. Powstawanie wiązania peptydowego (czyli amidowego)

Długość łańcucha aminokwasów w białku może sięgać dziesiątek tysięcy (największe ludzkie białko, titina, ma 27 000 aminokwasów), a masa cząstecz-kowa – setek tysięcy, nawet milionów a.j.m. O właściwościach białka decyduje kolejność aminokwasów w łańcuchu, a jest ona zdeterminowana przez sekwen-cję nukleotydów w DNA kodującym je. Istnienie białek jest ściśle związane z kwa-sami nukleinowymi; białka w komórce mogą powstać tylko przy udziale aparatu translacyjnego.

Aminokwasy w cząsteczce białka mogą ulegać modyfikacjom (przyłącza-nie grup karboksylowych, tiolowych, alkoholowych, różnych grup zasadowych, itd.), mogą również przyłączać inne substancje (np. węglowodany, jony metali itd.).

Organizm człowieka ma zdolność produkcji niektórych aminokwasów przez przekształcanie innych związków chemicznych, jednak dla części z ami-nokwasów nie istnieją u ludzi szlaki syntezy. Te aminokwasy trzeba uzupełniać z pokarmem, zatem są to aminokwasy egzogenne: fenyloalanina, izoleucyna, leucyna, lizyna, metionina, treonina, tryptofan i walina. Ponadto cysteina, taury-na, tyrozytaury-na, histydyna i arginina nie są w wystarczającym stopniu syntetyzo-wane u dzieci. Dopiero z czasem powstają odpowiednie szlaki metaboliczne, które umożliwiają ich syntezę u ludzi dorosłych.

Wraz ze wzrostem wielkości cząsteczek pojawiają się w białkach kolejne rzędy struktury.

Struktura pierwszorzędowa to kolejność aminokwasów w łańcuchu. Struk-tura drugorzędowa powstaje, gdy pomiędzy grupami -NH2 a >CO różnych

ami-nokwasów (między co czwartymi aminokwasami) tworzą się wiązania wodoro-we, skręcając cały łańcuch. Najczęściej występującą strukturą drugorzędową jest helisa alfa (α-helisa), w której 3.6 aminokwasu przypada na jeden skręt, inną jest harmonijka β (ponadto występują struktury: wstęga-zwrot-wstęga i pętla Ω). Mogą również tworzyć się mostki dwusiarczkowe (disulfidowe, -S-S-) pomię-dzy aminokwasami siarkowymi (cysteiną i metioniną).

Struktura trzeciorzędowa powstaje, gdy w cząsteczce białka wytwarzają się dodatkowe mostki dwusiarczkowe, ponadto wiązania jonowe (polegające na

glicyna alanina dwupeptyd

glicynoalanina

interakcjach różnoimiennie naładowanych grup funkcyjnych) i oddziaływania hydrofilowo-hydrofobowe. W środowisku polarnym (np. wodnym, jak w ukła-dach biologicznych) białka mogą tworzyć struktury, w których zdecydowanie niepolarny rdzeń z aminokwasów takich, jak fenyloalanina, leucyna, metionina, walina, jest otoczony przez aminokwasy polarne i niepolarne.

Struktura czwartorzędowa dotyczy już nie jednej cząsteczki białka, ale kilku połączonych. Dodatkowo, przyłączone mogą być elementy niebiałkowe, jak węglowodany, lipidy, związki nieorganiczne (np. kwas fosforowy).

Białka mogą pełnić w komórkach między innymi funkcje strukturalne, enzymatyczne, receptorowe, energetyczne.

1.1.4. Kwasy nukleinowe

Kwasy nukleinowe są polimerami nukleotydów. Pojedynczy nukleotyd

kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) zbudowany jest z cząsteczki

deoksy-rybozy połączonej wiązaniem N-glikozydowym z zasadą azotową i ufosforylo-wanej przy piątym atomie węgla w cząsteczce deoksyrybozy.

Zasady azotowe wchodzące w skład DNA należą do zasad purynowych – adenina (A) i guanina (G) oraz pirymidynowych – cytozyna (C) i tymina (T) (Ryc. 10).

Nukleotydy mogą łączyć się ze sobą, tworząc wiązanie fosfodiestrowe, w budowaniu którego bierze udział trzeci i piąty atom węgla deoksyrybozy. Łącząc się z kolejnymi cząsteczkami, budują łańcuch z ułożonych na przemian cząste-czek (a raczej reszt) deoksyrybozy i kwasu fosforowego. DNA najczęściej wy-stępuje w formie dwuniciowej – dwa łańcuchy leżą równolegle. Od każdej czą-steczki deoksyrybozy „w bok” od łańcucha, w stronę drugiego, odchodzi zasada azotowa. W łańcuchu DNA zatem zawsze jeden z końców zakończony jest „wolnym” trzecim atomem węgla w cząsteczce deoksyrybozy, a drugi – piątym. Stąd określa się je jako końce 3’ i 5’ (Ryc. 10). Średnica takiego łańcucha wyno-si 2,2-2,6 nm, a jego długość może przekraczać 23 cm (to wymiary najdłuższej ludzkiej cząsteczki DNA – chromosomu 1, złożonego z ponad 220 milionów par zasad). W przypadku DNA dwuniciowego, łańcuchy leżą więc wobec siebie nie tyle równolegle, co antyrównolegle: jeśli jedna z nici kończy się wolnym wę-glem 3', to druga, z tej samej strony dwuniciowego układu, ma wolny węgiel 5'. Leżące naprzeciwko siebie zasady azotowe z obu łańcuchów wytwarzają pomię-dzy sobą wiązania wodorowe: adenina i tymina tworzą dwa takie wiązania, cy-tozyna i guanina – trzy. Ponadto zasady purynowe mają duże, dwupierścieniowe cząsteczki, a pirymidynowe jednopierścieniowe. Parowanie leżących naprze-ciwko zasad następuje więc w taki sposób, że w sumie zawsze są w nich trzy pierścienie, co zapewnia odpowiednią wielkość układu dwóch zasad, pasującą do odległości między łańcuchami DNA. Jest to zasada komplementarności: zarówno odpowiednie zasady, jak i całe dwa równoległe łańcuchy DNA są wo-bec siebie komplementarne, a więc naprzeciwko siebie leżą zawsze odpowiednie zasady azotowe.

Ryc. 10. Budowa kwasu deoksyrybonukleinowego, rybonukleinowego i zasada kom-plementarności

Nici są skręcone wokół siebie, tworząc podwójną, prawoskrętną helisę. Dwie nici zbliżone są do siebie w długiej osi helisy bardziej niż wynosi połowa odległości między kolejnymi „skrętami” helisy, więc tworzy się tzw. rowek duży i rowek mały. Dzięki temu jest więcej miejsca na dostęp kompleksów en-zymatycznych do DNA w czasie transkrypcji lub replikacji.

Oprócz najczęściej występujących cząsteczek dwuniciowych istnieją tak-że cząsteczki DNA pojedyncze, potrójne i poczwórne.

Cząsteczka DNA może mieć układ liniowy, ale może też zamykać się, tworząc formę kolistą, jak np. u bakterii lub w mitochondriach.

Kwas rybonukleinowy – RNA – ma budowę podobną do DNA. Różnicę

stanowi zastąpienie deoksyrybozy innym pięciowęglowym cukrem – rybozą, oraz tyminy uracylem – zasadą o podobnym rozmiarze, wartościowości (chodzi o możliwą liczbę wiązań wodorowych) i komplementarności. Ponadto RNA jest cząsteczką jednoniciową, w przeciwieństwie do DNA.

1. 2. Podstawowe techniki histologiczne

Pierwsze informacje na temat budowy komórek, tkanek i innych struktur biologicznych uzyskane dzięki mikroskopii opublikował Anton van Leeuwenho-ek w roku 1673. Obserwacji dokonywał dzięki własnoręcznie skonstruowanym, prostym mikroskopom świetlnym o jednej tylko, choć znakomitej jakości, so-czewce. Wcześniej, na przełomie XVI i XVII wieku, istniały już bardziej złożo-ne mikroskopy, konstrukcji Hansa Janssena czy Galileo Galilei, jednak nie po-zwalały na uzyskanie porównywalnej jakości obrazu. Obecne mikroskopy optyczne to układy kilku soczewek, tworzących obiektyw i okular, wykorzystu-jące różne techniki do oświetlenia badanej próbki (jasne pole, ciemne pole, świa-tło spolaryzowane, kontrast fazowy).

Procedura badania histologicznego polega na uzyskaniu próbki materiału, przygotowaniu preparatu w zależności od planowanej techniki obserwacji, po którym następuje sama obserwacja.

Przed badaniem na ogół preparat trzeba utrwalić, przeprowadzając przez roztwory formaliny lub etanolu o różnym stężeniu. Utrwalacz wypłukuje się potem wodą (jeśli była nim formalina). Następnie jednak wodę trzeba usunąć, zwiększając stopniowo zawartość alkoholu w kolejnych roztworach.

Kolejnym krokiem jest zatopienie preparatu w parafinie. Robi się to zwiększając stopniowo stężenie parafiny w roztworze ksylenu lub toluenu (mie-szających się zarówno z alkoholem, jak i z parafiną). Zatopienie w parafinie umożliwia pocięcie materiału na cienkie skrawki, grubości około 10 µm. Alter-natywną metodą jest cięcie zamrożonego preparatu.

Nie wystarczy uzyskanie odpowiednio cienkiego preparatu. Zdecydowana większość struktur komórkowych czy tkankowych jest bezbarwna, tylko nielicz-ne substancje mają jakiś kolor (w organizmie człowieka – barwniki takie, jak lipofuscyna, hemoglobina, czy jej pochodna – bilirubina). Żeby cokolwiek zaob-serwować z użyciem mikroskopu świetlnego, najczęściej preparat należy wy-barwić. Używa się barwników o różnym pH, wiążących się w związku z tym ze strukturami tkankowymi zbudowanymi z substancji o różnym charakterze che-micznym. W zależności od tego struktury te określa się w histologii jako zasa-dochłonne, obojętnochłonne, kwasochłonne. Używać można również barwników specyficznie wiążących się z konkretnymi substancjami chemicznymi, np. z kolagenem czy elastyną. Preparat dla potrzeb cięcia zatopiony był w parafinie, natomiast barwniki rozpuszczalne są w wodzie. Wobec tego należy jeszcze usu-nąć ze skrawków parafinę przy pomocy kolejnych kąpieli w rozpuszczalnikach (np. ksylen lub toluen).

Tabela 2.

Najczęściej używane barwienia histologiczne. Oprócz barwienia specyficznego sub-stancje te wybarwiają także cytoplazmę, krwinki czerwone, jądra komórkowe itd., na różne barwy. Często używa się dwóch lub trzech barwników, aby wyróżnić w prepara-cie jednocześnie kilka rodzajów składników. Na przykład najpowszechniejsze jest bar-wienie hematoksylina+eozyna

barwnik/technika

barwienia specyficzne wybarwienie

hematoksylina wybarwia na granatowo jądro komórkowe i

ergasto-plazmę

eozyna wybarwia na różowo włókna siateczkowe i sprężyste

błękit toluidyny wybarwia na niebiesko ziarnistości komórek tucz-nych

sole srebra wybarwiają na czarno włókna nerwowe, włókna

siateczkowate

orceina wybarwia na brązowo włókna sprężyste, na

purpu-rowo ziarnistości komórek tucznych, na błękitno mięśnie gładkie

barwienie Gomori wybarwia włókna mięśniowe na czerwono

barwienie Mallory'ego wybarwia keratynę na pomarańczowo, tkankę chrzęstną na niebiesko, mięśniową na czerwono, kostną na granatowo

barwienie Massona wybarwia tkankę chrzęstną na turkusowo, mięśnio-wą na czerwono

barwienie Wrighta wybarwia ziarnistości elementów morfotycznych krwi: neutrofili na purpurowo, eozynofili na poma-rańczowo, bazofili na fioletowo, płytek na czerwono barwienie azan wybarwia tkankę chrzęstną i kostną na niebiesko,

mięśniową na czerwono

Wymienione w tabeli 2 techniki dotyczą mikroskopii optycznej, w której obraz powstaje przez pochłanianie światła. Można w ten sposób obserwować tkanki, komórki, niektóre organelle komórkowe – struktury zwykle o rozmiarach rzędu kilku-kilkudziesięciu mikrometrów (µm), w powiększeniu sięgającym około 1200x. Do obserwacji struktur o rozmiarach nawet tysiąckrotnie mniej-szych, rzędu nanometrów (nm), jak np. szczegółów budowy organelli komórko-wych, błon plazmatycznych, kanałów błonokomórko-wych, a nawet cząsteczek, używa się mikroskopii elektronowej i innych, bardziej złożonych technik. Obrazy otrzy-mywane w mikroskopii elektronowej, których podstawową zaletą jest bardzo duże powiększenie, mają również pewne ograniczenia: preparaty zawsze muszą być martwe (ze względu na technikę ich przygotowywania – zatapianie w żywi-cy epoksydowej, napylanie środkami kontrastujążywi-cymi) są również monochroma-tyczne i nie ma możliwości ich wybarwiania.

1.3. Elementy cytofizjologii

Właściwe zrozumienie funkcjonowania tkanek i narządów, w tym rów-nież skóry, wymaga znajomości podstawowych procesów biochemicznych oraz fizjologicznych zachodzących na poziomie organelli i komórek. W kolejnych podrozdziałach zostaną zwięźle omówione wybrane zagadnienia z tej dziedziny.

1.3.1. Receptory komórkowe

Receptory komórkowe są to zlokalizowane w błonach plazmatycznych wyspecjalizowane struktury białkowe, mające zdolność do wybiórczego łączenia się z cząsteczkami obecnymi w otoczeniu (ligandami). Receptory te można wy-obrazić sobie jako białkowy „negatyw” struktury przestrzennej ligandu, który przy pomocy wiązania chemicznego wiąże się z receptorem wywołując reakcję prowadzącą do zmiany metabolizmu komórki. Reakcje receptorowe charaktery-zują się wysoką specyficznością: powinowactwo do receptorów mają tylko ligandy o bardzo konkretnej budowie chemicznej i strukturze przestrzennej. Związanie receptora z ligandem powoduje zmianę struktury przestrzennej recep-tora, a to wpływa na uaktywnienie układu efektorowego i w konsekwencji zmia-nę metabolizmu komórki. Tak działają ligandy będące agonistami receptora. Natomiast antagonista receptora wiąże się z nim i nie aktywuje go, lecz blokuje, uniemożliwiając przyłączenie innych ligandów.

Zmiana metabolizmu komórki dokonuje się dzięki zmianie przepuszczalno-ści kanałów błonowych, zmianie aktywnoprzepuszczalno-ści odpowiednich enzymów, bądź zmia-nie ekspresji określonych genów. W realizacji zmiany metabolizmu pod wpły-wem aktywacji receptora uczestniczy białko G. Jest to złożone z trzech podjed-nostek białko, związane z guanozynodifosforanem (GDP). Jego aktywacja pro-wadzi do dalszych procesów, począwszy od aktywacji cyklazy adenylanowej, która nasila syntezę cyklicznego adenozynomonofosforanu (cAMP). Z kolei cAMP aktywuje komórkową kinazę A (kinazy to enzymy fosforylujące). Fosforylacja białek enzymatycznych przez kinazę A prowadzi do wzrostu ich aktywności, kinaza A wpływa również na poziom ekspresji genów. Inaktywacja białka G po spełnieniu funkcji związana jest z hydrolizą guanozynotrifosforanu (GTP). Zapo-czątkowana jest ona zaraz po pobudzeniu białka G, jednak trwa stosunkowo długo, nawet kilka minut. W tym czasie białko G realizuje swoją funkcję i jest hamowane w chwili zakończenia hydrolizy GTP.

W działaniu układu receptor-białko G-efektor (wywołujący zmianę meta-bolizmu) może pośredniczyć II przekaźnik (I przekaźnikiem jest agonista re-ceptora). Związanie agonisty z receptorem aktywuje w tym przypadku II prze-kaźnik, np. cAMP, cGMP, jony Ca2+ (wiążące się z białkiem kalmoduliną), kwas fosfatydowy, bisfosforan fosfatydyloinozytolu (PIP2), trifosforan inozytolu (IP3,

3P-C6H12O6), DAG (diacyloglicerol) 5

itp. Drugie przekaźniki mogą wpływać na

5

metabolizm komórkowy przez interakcję z białkami G, fosforylację enzymów (poprzez kinazy), otwarcie kanałów błonowych, zmianę transportu substancji w komórce (np. wapnia) itd. Pośrednio wpływa to bardzo znacząco na metabo-lizm, np. na przepuszczalność błon, transkrypcję, nasilenie egzocytozy, syntezę oraz uwalnianie wielu substancji (np. hormonów, neurotransmitterów) itd.

1.3.2. Ruch cytoplazmy

Cytoplazma stanowi środowisko komórki, w którym zachodzi część reak-cji metabolicznych. W cytoplazmie panują ściśle określone warunki obejmujące skład chemiczny, właściwości i działające siły, takie jak ciśnienie, napięcie po-wierzchniowe, lepkość, potencjał elektrostatyczny. Dzięki temu, cytoplazma umożliwia, wraz ze szkieletem komórkowym, nadanie kształtu komórce i jej odkształcanie w razie potrzeby, prawidłowy układ przestrzenny organelli ko-mórkowych i transport substancji zarówno wewnątrzkomórkowy jak i import oraz eksport substancji pomiędzy komórką a otoczeniem.

Cytoplazma jest wodnym roztworem licznych jonów nieorganicznych (głównie Na+, K+, Ca2+, Cl-, PO43-, CO32-, HCO3- itd), oraz substancji

organicz-nych (węglowodanów, lipidów, białek, kwasów (np. RNA), ich metabolitów). Białka i węglowodany zawieszone w wodzie nadają roztworowi postać kolo-idową, zbliżoną do żelu.

Do prawidłowego funkcjonowania komórki niezbędny jest transport sub-stancji do i z komórki, oraz pomiędzy organellami. Transport ten realizowany jest głównie za pośrednictwem pęcherzyków transportujących, zbudowanych z błon plazmatycznych. Dzięki takiej budowie, wraz z transportem zawartości pęcherzyków, jednocześnie realizowany jest transport samych składników błony – białek i lipidów. Transport ten jest w dużym stopniu regulowany przez aparat Golgiego. Ruch wywoływany jest przez przebudowę elementów szkieletu ko-mórkowego, zwłaszcza przez mikrotubule. Związane są z nimi białka motorycz-ne: dyneiny, poruszające się wzdłuż mikrotubuli w kierunku końca (–), i

kine-zyny, poruszające się w kierunku końca (+). Energia konieczna do takiego ruchu

pochodzi z hydrolizy adenozynotrifosforanu (ATP). Ruch w komórce może również być osiągnięty dzięki uporządkowanej syntezie i hydrolizie filamentów aktynowych budujących cytoszkielet, bądź dzięki interakcji białek: aktyny oraz miozyny, również przy udziale ATP. Kierunek transportu wyznaczany jest przez sekwencję aminokwasów w cząsteczkach białek, związanych z błoną pęcherzy-ka, rozpoznawaną w docelowym miejscu. Oprócz pęcherzyków z zawartością, transportowi podlegają także cząsteczki białek.

1.3.3. Podstawowy metabolizm komórkowy – katabolizm, anabolizm, ksenobiotyki

Reakcje metaboliczne przeprowadzane przez komórki ogólnie podzielić można na anaboliczne i kataboliczne. Anabolizm to synteza złożonych związków chemicznych, przeprowadzana z nakładem energii, katabolizm to rozkład związ-ków złożonych na prostsze, często z uwolnieniem energii.

Wskutek konieczności ciągłego uzupełniania wciąż uszkadzanych struktur komórkowych, nawet nie dzielące się i nie wzrastające komórki potrzebują du-żych nakładów energii. W zależności od sposobu, w jaki organizmy zdobywają energię i substraty metabolizmu, klasyfikuje się je jako organizmy cudzożywne (heterotroficzne, uwalniające energię ze związków organicznych zsyntetyzowa-nych przez inne organizmy) i samożywne (autotroficzne, czerpiące energię z reak-cji chemicznych lub z promieniowania słonecznego).

W opracowaniu pominięty zostanie metabolizm charakterystyczny dla auto-trofów, natomiast pokrótce zostaną przedstawione reakcje związane z uwalnia-niem energii oraz syntezą podstawowych związków organicznych (Ryc. 11).

Uniwersalnym związkiem chemicznym magazynującym energię w orga-nizmach jest adenozynotrifosforan (ATP). Ten łatwy do transportu, wysoko-energetyczny związek, pod wpływem działania jednego tylko enzymu, ATPazy, w razie potrzeby uwalnia znaczną energię. Do uwolnienia energii z innych związków chemicznych, np. glukozy, potrzebne są szczególne warunki i liczne enzymy. Określenia „związek magazynujący energię” nie należy traktować do-słownie – energii zawartej w wiązaniach ATP w całym organizmie wystarczyło-by najwyżej na 2 sekundy. Należy raczej rozumieć jako podręczną formę trans-portu i chwilowego magazynowania energii.

Katabolizm

Podstawowym substratem energetycznym jest glukoza. Magazynowana w formie glikogenu ulega uwolnieniu przez fosforolizę (hydrolizę z udziałem fosforylazy) – do glukozo-1-fosforanu, która jest przekształcana do glukozo-6-fosforanu. Wreszcie glukozo-6-fosfataza (enzym wątrobowy) uwalnia glukozę i resztę fosforanową.

Glukoza ulega w procesie glikolizy rozłożeniu na trójwęglowy kwas piro-gronowy, będący w tym przypadku końcowym akceptorem wodoru (Ryc. 11). Glikoliza ma wielką zaletę: jest to proces beztlenowy. Jednak dostarcza on zale-dwie energii na syntezę dwóch cząsteczek ATP z jednej cząsteczki glukozy. Glikoliza zachodzi w cytoplazmie komórek, poza organellami. Kwas pirogrono-wy jest następnie przekształcany w kwas mlekopirogrono-wy.

Kwas pirogronowy może również, przy udziale energii i koenzymu A (CoA), być przekształcany w dwuwęglowy acetylo-koenzymA, niezwykle istot-ny metabolit, zajmujący kluczowe miejsce w wielu szlakach metaboliczistot-nych. Substratem do produkcji acetylo-CoA mogą być również tłuszcze: powstaje on wówczas w procesie β-oksydacji kwasów tłuszczowych, zachodzącym w mito-chondriach. Długie łańcuchy węglowe są cięte na dwuwęglowe i przekształcane w acetylo-CoA (w przypadku łańcuchów o nieparzystej liczbie atomów węgla powstaje również propionylo-CoA). Również aminokwasy mogą być użyte do wytworzenia acetylo-CoA, przez deaminację oksydacyjną. Pozostający łańcuch węglowy przekształcany jest do pirogronianu, acetylo-CoA, acetoacetylo-CoA, bursztynylo-CoA, szczawiooctanu, α-ketoglutaranu, lub fumaranu.

Ryc. 11. Glikoliza (od glukozy do pirogronianu) i cykl kwasu cytrynowego (od acetylo-CoA)

Następnym etapem oddychania komórkowego jest cykl kwasu

cytryno-wego (cykl Krebsa, Ryc. 11). Polega on na włączeniu acetylo-CoA w zamknięty

łańcuch egzoenergetycznych reakcji chemicznych. Jest on przyłączony do czte-rowęglowej cząsteczki kwasu szczawiooctowego, tworząc sześciowęglową czą-steczkę kwasu cytrynowego. W kolejnych reakcjach odcinane są kolejno dwie cząsteczki CO2 (a więc dwa atomy węgla, dzięki czemu odtworzona jest

czą-steczka czterowęglowa), a atomy wodoru stopniowo są przenoszone na dinukle-otyd nikotynoamidoadeninowy (NAD+; powstaje NADH) oraz dinukleotyd fla-winoadeninowy (FAD; powstaje FADH2).

Należy zauważyć, że do tych procesów również nie jest potrzebna obec-ność tlenu. Jednak bezpośredni zysk energetyczny jest tu niewielki, ponieważ większość energii ulega związaniu w NADH i FADH2. Dlatego konieczny jest

kolejny etap procesu, którego ostatnia faza bezwzględnie obecności tlenu wy-maga.

Zredukowane formy NAD+ i FAD (czyli NADH i FADH2) przekazują

protony (H+) na ostateczny akceptor – tlen. Odbywa się to w macierzy mito-chondrialnej, zawierającej układ przenośników elektronów. Są to enzymy przekazujące sobie kolejno elektrony, ze stopniowym uwalnianiem z nich ener-gii. Ostatecznie elektrony przekazane są cząsteczce tlenu, która przyłącza wtedy również protony. Sumaryczny zapis tych reakcji, uwzględniający tylko same bezpośrednie substraty, ma następującą postać: O2 + 4e

-

+ 4H+ → 2H2O.

Łańcuch transportujący elektrony złożony jest z czterech układów enzy-matycznych:

1 i 2. Oksydoreduktaza NADH-ubichinon (czyli oksydoreduktaza NADH) od-biera 2 elektrony z NADH i przekazuje je na ubichinon (koenzym Q10) oraz

reduktaza bursztynian-ubichinon (dehydrogenaza bursztynianowa) – przenosi elektrony z bursztynianu na ubichionon.

3. Oksydoreduktaza ubichinon-cytochrom c.

4. Oksydaza cytochromowa przenosi 4 elektrony na 2 atomy tlenu, po dodaniu 4 protonów powstają 2 cząsteczki wody.

Uwalniana energia wiązana jest w wysokoenergetycznym wiązaniu w ATP przy udziale enzymu syntazy ATP.

W opisanych procesach (cykl Krebsa i fosforylacja oksydacyjna) powstaje do 36 cząsteczek ATP z jednej cząsteczki glukozy, chociaż w praktyce zyskiem energetycznym jest około 20 cząsteczek ATP (dokładne ustalenie zysku energe-tycznego w praktyce nie jest proste, ponieważ wymagany jest trudny do określe-nia nakład energetyczny: przenoszenie elektronów powoduje w mitochondrium powstanie gradientu elektrochemicznego napędzającego syntezę ATP; zysk sza-cuje się na około 2,5 cząsteczki ATP na 1 cząsteczkę NADH i 1,5 cząsteczki ATP na 1 cząsteczkę FADH2).

Warunkiem zajścia fosforylacji oksydacyjnej jest, jak podkreślono wcze-śniej, dostępność tlenu jako ostatecznego akceptora elektronów i wodoru. Zatem ten rodzaj metabolizmu – metabolizm tlenowy – powstać musiał, kiedy w

at-mosferze dostępny był już tlen, wyprodukowany dzięki metabolizmowi wcze-śniejszych organizmów (fotosyntezie). Wolny tlen w przyrodzie występuje bar-dzo rzadko i w niewielkich ilościach, wskutek jego dużej reaktywności.

W warunkach beztlenowych niemożliwa jest regeneracja NAD+ z jedno-czesnym zredukowaniem tlenu. W takim przypadku redukowany jest pirogro-nian – do mleczanu, dzięki dehydrogenazie mleczanowej, i dzięki tej reakcji odtworzony jest NAD+, konieczny w glikolizie.

Istnieje również tzw. „odwrotny cykl Krebsa”, przeprowadzany przez niektóre bakterie w celu przeprowadzenia syntezy bardziej złożonych związków z CO2.

Należy podkreślić, że w mitochondriach, w czasie opisanych powyżej procesów, energia nigdy nie powstaje, nie jest wytwarzana. Jest tylko prze-kształcana, uwalniana z wiązań chemicznych czy elektronów.

Anabolizm

Część związków organicznych koniecznych do funkcjonowania komórek musi być pobieranych z zewnątrz, ponieważ nie ma szlaków metabolicznych umożliwiających ich syntezę. Do utracenia możliwości syntezy często wystarczy mutacja jednego tylko genu, kodującego jeden enzym.

Jednak zdecydowana większość koniecznych związków organicznych może być, przy udziale odpowiednich enzymów i najczęściej z nakładem ener-gii, syntetyzowana.

W ludzkim metabolizmie istnieją szlaki dla syntezy większości

amino-kwasów (9 jest egzogennych). Poniżej podanych jest kilka przykładów syntezy

wybranych aminokwasów.

Dla części aminokwasów są to jednoetapowe reakcje, wystarczy przyłą-czenie grupy aminowej do odpowiedniego kwasu organicznego. Grupa aminowa może być przenoszona w miarę potrzeb pomiędzy różnymi aminokwasami. Przez jednoetapową aminację powstają: alanina z kwasu pirogronowego, kwas asparaginowy z kwasu szczawiooctowego, kwas glutaminowy z kwasu α-keto-glutarowego.

Z kolei z kwasu glutaminowego powstaje prolina i arginina, przez reakcję z ATP po której następuje redukcja do aldehydu (γ-semialdehyd glutaminiano-wy). Aldehyd ten ulega albo transaminacji, tworząc ornitynę, z której powstaje arginia, albo cyklizacji i redukcji do proliny.

Z aldehydu 3-fosfoglicerynowego (metabolit pośredni glikolizy) powstaje seryna, po kolejno następujących: utlenieniu, transaminacji i hydrolizie. Z sery-ny powstaje (przez odłączenie grupy metylenowej) glicyna lub (przez zamianę atomu tlenu na atom siarki) cysteina. Metionina powstaje, po przeniesieniu gru-py metylowej, z homocysteiny (może z niej powstać także cysteina).

Aminokwasy są prekursorami wielu związków organicznych. Oczywiste jest, że powstają z nich peptydy (wśród nich np. bardzo szczególny tripeptyd: glutation), białka. Jednak są także szlaki metaboliczne przekształcające je (z dodaniem innych substratów) w np. zasady purynowe i pirymidynowe –

składniki nukleotydów: pierścienie pirymidynowe powstają z kwasu asparagi-nowego, glutaminowego i wodorowęglanu. Z aminokwasów syntetyzowane są także porfiryny (prekursory hemu), sfingozyna – prekursor ceramidów, liczne hormony i neurotransmittery (serotonina, histamina, adrenalina, tyroksyna), barw-nik melanina, itd.

Lipidy syntetyzowane są z 3-fosfoglicerolu, z którego powstaje kwas

fos-fatydowy (diacyloglicerolo-3-fosforan) przy udziale acetylo-CoA. Następnie powstać może diacyloglicerol i triacyloglicerol. Aktywowany diacyloglicerol może wejść w reakcję estryfikacji z odpowiednim alkoholem, w wyniku czego powstaje np. kardiolipina, fosfatydyloinozytol, itd. Łańcuchy tłuszczowe mogą być modyfikowane, wymieniane, co stwarza możliwość powstania dużej liczby różnych lipidów.

Lipidy izoprenowe (np. cholesterol) powstają z acetylo-CoA. Najpierw powstaje izopren, sześć jego cząsteczek ulega kondensacji w cząsteczkę skwale-nu, wreszcie cząsteczka skwalenu ulega przekształceniu (cyklizacji) w cztero-pierścieniowy cholesterol. Z niego powstają np. hormony steroidowe – androge-ny, estrogeandroge-ny, kortykosteroidy, a także witamina D (przez rozbicie jednego z pier-ścieni 7-dehydrocholesterolu pod wpływem ultrafioletu powstaje prewitamina D, izomer witaminy D, która powstaje z niego spontanicznie).

Węglowodany mogą być syntetyzowane w organizmie ludzkim,

począw-szy od glukozy. Powstaje ona w procesie glukoneogenezy, z pirogronianu. Część reakcji przypomina odwróconą glikolizę, jednak część jest inna, wymaga też innych enzymów. Z glukozy mogą być syntetyzowane złożone węglowodany, przez przyłączanie kolejnych cząsteczek glukozy wiązaniem glikozydowym, oraz dołączanie innych cząsteczek. Glukoza nie może jednak powstać w organi-zmie ludzkim de novo z kwasów tłuszczowych: produktem β-oksydacji jest ace-tylo-CoA, z którego zwierzęta nie mogą otrzymać pirogronianu.

Eliminacja substancji toksycznych

Częścią metabolizmu jest też usuwanie substancji zbędnych i szkodli-wych. Należą do nich niektóre metabolity własnych, fizjologicznych procesów, oraz substancje pochodzące z zewnątrz. O ile organizm posiada wyspecjalizo-wane mechanizmy unieczynniania czy usuwania produkowanych przez siebie „standardowych” substancji niepożądanych, problemem mogą być substancje obce. Substancje pochodzące z zewnątrz, wykazujące aktywność biologiczną, a nie będące typowym elementem metabolizmu, określa się jako ksenobiotyki.

Poniżej omówiony zostanie model unieczynniania przez komórki takich właśnie, potencjalnie szkodliwych substancji. W kosmetologii często mówi się o czarodziejskich wręcz metodach „wypłukiwania toksyn” z komórek czy tkanek przy użyciu metod i substancji nie mających z tym nic wspólnego, warto więc dowiedzieć się, jakie są rzeczywiście istniejące mechanizmy „detoksykacji”.

Ksenobiotyki najwięcej szkód mogą spowodować po dostaniu się do ko-mórki. Błona komórkowa (jak to zostanie opisane w rozdziale 1.4.1.) ze względu na swoją budowę nie przepuszcza związków polarnych, hydrofilowych. Do ich

przemieszczania przez błony konieczne są specjalne transportery błonowe, któ-rych działanie komórka precyzyjnie kontroluje. Jednak transport związków hy-drofobowych, rozpuszczalnych w tłuszczach, nie jest kontrolowany, stąd łatwe przechodzenie ksenobiotyków o takim charakterze.

Komórka toksyny może unieczynniać przy udziale enzymów hydrolitycz-nych, lizosomowych lub proteolityczhydrolitycz-nych, peroksysomowych. Jednak dla typo-wych ksenobiotyków, o często spotykanej budowie chemicznej, istnieją specjal-ne szlaki eliminacji z komórki. Udział w opisywanych procesach jest jedną z funkcji cytochromu p450. Nie jest to pojedyncza substancja, lecz grupa en-zymów, obejmująca u ludzi 57 różnych enzymów (jest też 57 genów w ludzkim genotypie, kodujących różne enzymy p450). Są to białka związane z błonami wewnętrznymi mitochondriów bądź z błoną siateczki śródplazmatycznej w więk-szości tkanek ciała. Uczestniczą w wielu reakcjach metabolicznych, mogą rów-nież metabolizować toksyczne substancje, ma to miejsce głównie w wątrobie. Zdecydowana większość reakcji przeprowadzanych przez cytochrom p450 to oksydacja – wprowadzanie atomu tlenu do substratu, z wydzieleniem cząsteczki wody (tlen pochodzi z cząsteczki O2).

Unieczynnianie toksyn obejmuje trzy etapy:

− aktywacja substratu: enzymy wprowadzają do ksenobiotyku grupę reak-tywną/polarną, na przykład przez hydroksylację przy udziale oksydazy za-leżnej od cytochromu p450 (następuje wprowadzenie atomu tlenu -O, związanego z cytochromem, co powoduje utworzenie grupy hydroksylo-wej), albo wprowadzenie -N, lub -S,

− połączenie tak zaktywowanego związku z np. glutationem (najczęściej; to trójpeptyd złożony z aminokwasów: glutaminianu, cysteiny i glicyny), gli-cyną, kwasem glukuronowym przy udziale transferazy, bardzo często trans-ferazy glutationowej. Dzięki temu związek przestaje być elektrofilny, reak-tywny,

− tak unieczynniona cząsteczka ksenobiotyku może być już usunięta z ko-mórki dzięki pewnym modyfikacjom. Na przykład, jeśli została we wcze-śniejszym etapie połączona z glutationem, zachodzi usunięcie reszty gluta-minianu i glicyny przez transpeptydazę i dipeptydazy, oraz acetylacja reszty cysteiny. W ten sposób związek przeznaczony do usunięcia z komórki jest połączony już nie z glutationem, lecz z acetylocysteiną. Dla acetylocysteiny z kolei (i cząsteczek z nią związanych) istnieje specjalny układ transportu-jący przy udziale ATP przez błonę komórkową, zbudowany z białek nale-żących do rodziny białek odporności wielolekowej (ang. multidrug resi-stance protein – MRP). Ze środowiska zewnątrzkomórkowego substancje te najczęściej zbierane są z płynami tkankowymi, limfą, do krwiobiegu i eli-minowane przez nerki.

1.3.4. Cykl komórkowy

Cykl komórkowy to następujące po sobie fazy życia komórki, obejmujące podziały komórki i okresy między podziałami.

W cyklu wyróżnić można cztery podstawowe fazy: G1, S, G2 i M. Trzy

pierwsze łącznie stanowią interfazę, natomiast M to podział komórkowy: mi-toza lub mejoza. Ponadto, poza cyklem, komórka może być w fazie spoczyn-kowej – G0.

Faza G1 (ang. gap – przerwa) to okres wzrostu komórki do momentu w którym mechanizmy kontrolne fazy G1 potwierdzą gotowość komórki do

replika-cji DNA. Wzrost związany jest głównie z syntezą elementów cytoszkiele-tu i enzymów koniecznych do replikacji.

Faza S związana jest z syntezą histonów i DNA (replikacją). Ilość DNA w

ko-mórce zostaje podwojona.

Faza G2 obejmuje dalszy wzrost komórki do momentu, w którym mechanizmy kontrolne fazy G2 potwierdzą gotowość do mitozy. Syntetyzowane są

wówczas m.in. elementy cytoszkieletu biorące udział w mitozie (budujące wrzeciona podziałowe).

M to faza podziału komórkowego, najczęściej mitozy, po której potomne

ko-mórki wchodzą w fazę G1.

G0 to faza spoczynkowa, poza właściwym cyklem komórkowym. Do fazy G0,

przechodzą komórki dojrzałe w niektórych tkankach po okresie ich wzro-stu. Nie przechodzą już dalszych podziałów mitotycznych, tylko ulegają różnicowaniu, czyli specjalizacji do pełnienia określonych funkcji. Do fa-zy G0 u zwierząt komórki przechodzą z fazy G1. W niektórych tkankach

możliwe jest, w razie konieczności, ponowne nabycie zdolności do po-działów u komórki z fazy G0 – mogą one ponownie wejść w cykl

komór-kowy, w fazę, z której weszły do G0 (czyli u zwierząt do G1). Niektóre

komórki wchodzą w fazę G0 regularnie, np. co kilka miesięcy (np.

komór-ki wątroby). Jeszcze inne, jak komórkomór-ki nerwowe, czy komórkomór-ki mięśnia sercowego, takiej zdolności nie posiadają i na zawsze zaprzestają podzia-łów. Odpowiednia ich pula powstaje w czasie rozwoju, wzrostu organi-zmu, później, w ciągu całego życia organizmu komórki te mogą tylko ulegać degeneracji, a nowe na ich miejsce nie powstają.

Biorąc pod uwagę charakter cykli komórkowych w określonych tkan-kach, populacjach komórek, można mówić o populacjach statycznych (komór-ki postmitotyczne, niedzielące się), stabilnych (dzielące się rzadko, tylko dla podtrzymania funkcji tkanek i narządów) i odnawiających się (dzielących się regularnie).

Regulacja cykli komórkowych

W regulacji cykli komórkowych, a więc właściwego przebiegu opisanych zjawisk, i ich prawidłowej sekwencji, biorą udział białka cykliny i kinazy (en-zymy fosforylujące) zależne od cyklin (CDK – ang. cyclin-dependent kinase).

CDK są nieczynne pod nieobecność cyklin, dopiero po połączeniu się z nimi uaktywniają bądź dezaktywują docelowe białko przez fosforylację, co prowadzi do przejścia do następnej fazy cyklu. W zależności od konkretnych cyklin i kon-kretnych CDK – działanie kompleksu jest różne wobec różnych białek, co umożliwia regulację różnych faz cyklu. Inaczej działają cykliny fazy G1 i S

(cy-kliny A, D, E) w połączeniu z CDK 2, 4, 6, inaczej – cy(cy-kliny faz G1 i M (cykliny

B) w połączeniu z CDK1.

Na przykład kompleks cykliny G1 z CDK pobudza czynniki

transkrypcyj-ne, co aktywuje cykliny fazy S i enzymy replikacji DNA. Cykliny S w komplek-sie z CDK fosforylują kompleksy prereplikacyjne przyłączone do miejsc począt-kowych replikacji DNA. Wreszcie kompleks cyklin M z CDK zapoczątkowują mitozę przez ufosforylowanie (i aktywację) białek odpowiedzialnych za konden-sację chromosomów i tworzenie wrzeciona mitotycznego.

Funkcje innych kompleksów cyklina-CDK można podsumować nastę-pująco:

1/ Cyklina D – CDK 4/6 kontrolują przebieg fazy G1, docelowym białkiem jest

p53.

2/ Cyklina E – CDK 2 umożliwiają wejście w fazę S, docelowymi białkami są p53 i kinazy.

3/ Cyklina A – CDK 2 kontrolują postęp fazy S, docelowe białka to polimeraza DNA, białko replikacyjne A.

4/ Cyklina A – CDK 1 obejmują okres od fazy S, poprzez G2 do wejścia w fazę

M, docelowymi białkami są fosfatazy i cyklina B.

5/ Cyklina E – CDK 1 kontrolują postęp fazy M, docelowymi są liczne białka uczestniczące w podziałach komórek (związane z chromatyną, z miozyną, z centrosomami, histony, laminy, czynniki transkrypcyjne, kinazy).

Istnieją określone punkty kontrolne dojścia komórki do odpowiedniego stanu do wejścia w kolejną fazę. Jeśli te warunki nie są spełnione – mechanizmy kontrolne nie umożliwią postępu kolejnej fazy, dając czas na np. dodatkową syntezę występującego w niedomiarze enzymu, czy naprawę DNA. Ma to na celu zapewnienie prawidłowości mitozy, aby potomne komórki miały prawidło-wą budowę i prawidłowy materiał genetyczny. Najważniejsze punkty kontrolne są zlokalizowane w fazie G1, przed wejściem w S oraz w G2, przed wejściem w

fazę M. W pierwszym z tych punktów (tzw. punkcie restrykcyjnym, kontroli uszkodzeń DNA) zapada decyzja czy komórka może wejść w podział. Jeśli punkt restrykcyjny wykryje wysokie stężenie białka p-53, kontrolującego po-wstawanie nowotworów, podział zostanie zablokowany, komórka może przejść w fazę G0. W drugim z wymienionych punktów kontrolnych, tuż przed mitozą –

komórka „upewnia się”, czy jest gotowa do wejścia w mitozę, w dwóch etapach (kontrola uszkodzeń DNA i kontrola niezreplikowanego DNA), przy udziale czynnika rozpoczynającego mitozę MPF (ang. Mitosis Promoting Factor). Rów-nież w przebiegu mitozy wyróżnia się punkty kontrolne: kontroli montażu wrze-ciona i kontroli segregacji chromosomów. Mają one na celu upewnienie się, że

cytokineza zajdzie dopiero po prawidłowym rozdzieleniu chromosomów. Jeśli te punkty kontrolne zawiodą, konsekwencją mogą być mutacje i nowotwory.

Częścią mechanizmów zabezpieczających w tych punktach kontrolnych są inhibitory CDK, lub np. fosfataza Cdc25 (w punkcie G2/M; enzym ten

uaktywnia MPF, czyli czynnik aktywujący CDK tuż przed mitozą), a także białko p53, które m.in. może indukować apoptozę, jeśli istnieje możliwość rozwoju nowotworu.

Podziały komórek

W przebiegu podziału komórki następują po sobie: kariokineza, czyli po-działa jądra komórkowego i cytokineza − podział cytoplazmy i organelli. Przed wejściem w podział komórki zazwyczaj podwajają ilość DNA.

Mitoza jest procesem podziału komórki, w którym powstają dwie

komór-ki potomne, identyczne genetycznie z komórką macierzystą. Składa się z kilku faz:

− W profazie następuje kondensacja chromatyny pod wpływem czynników białkowych (histonów H1 i H3, kohezyny, kondensyny). Wskutek reorgani-zacji cytoszkieletu powstaje wrzeciono podziałowe zbudowane m.in. z mi-krotubul i titiny. Zanikają jąderka oraz otoczka jądrowa (jest rozrywana przez dyneinę i mikrotubule). Na każdej chromatydzie naprzeciwko cen-tromeru pojawia się kompleks białkowy – kinetochor, do którego przycze-pione są elementy wrzeciona.

− W metafazie każdy chromosom zbudowany jest z dwóch chromatyd połą-czonych kohezyną. Chromosomy ustawione są w płaszczyźnie równikowej komórki (płytka równikowa/metafazowa komórki). Wrzeciono podziałowe jest w pełni wykształcone przez dwa centra organizacji mikrotubul − MTOC (ang. microtubule-organization centre), leżące w przeciwnych bie-gunach komórki. Mikrotubule należą do trzech typów: gwiaździste (astralne), wychodzące z γ-tubulinowych pierścieni wokół MTOC (Rozdz. 1.4.3., por. centriole), biegunowe (polarne), wychodzące z MTOC, ale znacznie dłuż-sze, oraz kinetochorowe, sięgające od MTOC do kinetochorów.

− Anafaza rozpoczyna się rozdzieleniem chromatyd w miejscach wyznaczo-nych przez centromery, wskutek rozkładania kohezyn centromerowych przez enzym separazę. Chromatydy przyciągane są w kierunku biegunów komórki przez dyneinę poruszającą się wzdłuż mikrotubuli wrzeciona po-działowego.

− Telofaza obejmuje despiralizację chromosomów, odtworzenie otoczki ją-drowej wokół obu powstałych jąder, z fragmentów otoczki rozerwanej w profazie. Ponownie stają się widoczne jąderka.

Po kariokinezie następuje cytokineza, czyli rozdzielenie cytoplazmy przez zaciskanie pierścienia kurczliwego zbudowanego w anafazie z filamentów akty-nowych i miozyakty-nowych ułożonych na obwodzie (na równiku) komórki.

Mejoza jest procesem podwójnego podziału komórki, prowadzącym do

powstania komórek potomnych mających dwukrotnie zredukowaną ilość DNA (i chromosomów) w porównaniu z macierzystymi. U ssaków ma ona miejsce w czasie syntezy komórek rozrodczych (w czasie spermatogenezy i oogenezy). Jej celem jest redukcja ilości materiału genetycznego tak, aby zygota powstała po zapłodnieniu posiadała znów odtworzoną jego ilość taką, jaka występowała w komórkach przed mejozą.

W przebiegu mejozy następują kolejno po sobie dwa podziały, obydwa przebiegające w fazach, podobnych do faz mitozy: profaza, metafaza, anafaza i telofaza.

Pierwszy podział jest podziałem redukcyjnym.

Profaza I rozpoczyna się leptotenem, w czasie którego chromosomy za-czynają ulegać kondensacji, chromatydy siostrzane łączą się dzięki specyficz-nym kompleksom kohezyjspecyficz-nym mejozy (ang. meiosis-specific cohesion com-plexes). Później, w zygotenie, następuje parowanie się chromosomów homolo-gicznych – chromatydy siostrzane przylegają do siebie, dzieli je tylko niewielka przestrzeń (faza synapsis). Chromosomy są związane w tym czasie przez kom-pleks synaptonemalny. W czasie pachytenu zachodzi proces crossing-over, nie-zwykle istotny dla zwiększania różnorodności genetycznej gatunku: odcinki DNA chromosomów homologicznych wymieniają się między sobą (cząsteczki DNA ulegają przecięciu, przemieszczeniu i ponownemu spojeniu – już w drugiej cząsteczce). Proces ten kończy się w diplotenie, w którym następuje demontaż kompleksu synaptonemalnego i rozłączenie się chromosomów homologicznych, połączenie pozostaje zachowane w chiazmach. Ścisłe połączenie utrzymuje się pomiędzy siostrzanymi chromatydami. Pod koniec profazy I następuje diakineza, zakończenie kondensacji chromosomów, zanik otoczki jądrowej i jąderek.

W metafazie I pary chromosomów układają się w płaszczyźnie równiko-wej komórki, podobnie jak ma to miejsce w mitozie. Chromosomy homologicz-ne związahomologicz-ne są chiazmami, rozdzielają się w późhomologicz-nej metafazie I. Mikrotubule wrzeciona podziałowego łączą się z chromosomami poprzez kinetochory, biał-kowe struktury położone w pobliżu centromerów.

W anafazie I zachodzi rozchodzenie się chromosomów losowo do biegu-nów komórki – bez ich rozszczepienia (tzn. bez rozdzielania siostrzanych chro-matyd – pozostają one połączone przez kompleksy kohezyjne i centromery). Zatem w potomnych jądrach liczba chromosomów będzie zmniejszona o połowę (I podział mejotyczny jest podziałem redukcyjnym, potomne komórki mają ha-ploidalną liczbę chromosomów, 1n (w przypadku mejozy pregamicznej)). Lo-sowe rozchodzenie polega na tym, że nie jest zdeterminowane który chromosom z pary chromosomów homologicznych (pochodzący od ojca czy od matki) trafi do której z komórek potomnych. To drugi po crossing-over mechanizm zwięk-szający różnorodność genetyczną dzięki mejozie.

Nie ma tu typowej telofazy, para haploidalnych komórek od razu wchodzi w drugi podział.